Полупроводниковые нелинейные элементы: полупроводниковые диоды
Информация - Разное
Другие материалы по предмету Разное
? перехода, возникающего в зоне контакта металл-полупроводник. Свойства этого контакта зависят от отношения работ выхода электрона в металле и полупроводнике. Если Авых Ме > Aвых п/п, то в зоне контакта возникает выпрямляющий переход (рис. 5). В этом случае избыток электронов будет в полупроводнике и они, перемещаясь за счёт диффузии в приконтактную область металла, создают обеднённую область в полупроводнике, которая и обладает выпрямляющими свойствами.
Если Авых Ме < Aвых п/п, то контакт металл-полупроводник получается не выпрямляющим и он применяется специально для улучшения контакта металла с полупроводником в качестве контактной площадки в ИС.
Рис. 4. Работа диода в импульсном режиме
Рис. 5. Контакт Ме - п/п с выпрямляющими и невыпрямляющими свойствами
Улучшение динамических свойств диода Шоттки объясняется тем, что в обоих областях по разные стороны выпрямляющего контакта Ме-п/п присутствуют основные носители заряда одного типа - электроны и так как инжекции дырок в полупроводник не происходит в прямом направлении, то нечему рассасываться в момент закрытия барьерного перехода, что происходит практически мгновенно (0,1 нс и менее Fраб = 3-15 ГГц).
Стабилитроны - это полупроводниковые диоды, обладающие большой крутизной обратной ветви ВАХ (рис. 6) в области напряжения лавинного пробоя Uпроб.
Рис. 6. Принцип стабилизации напряжения с помощьюполупроводникового стабилитрона
При ограниченном токе пробоя у такого диода наступает эффект стабилизации напряжения, который основан на том, что большое изменение тока ?I, протекающего через него, вызывает малое изменение напряжения на нем ?U. Стабилизация тем лучше, чем круче идет обратная ветвь ВАХ и, соответственно, чем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона
Стабилизирующие свойства параметрического стабилизатора на стабилитроне характеризуется коэффициентом стабилизации:
Чтобы не произошёл необратимый тепловой пробой стабилитрона, его ток Iст ограничивают с помощью ограничительного резистора Rогр :
,
Стабисторы - те же стабилитроны, но используют прямую ветвь ВАХ для стабилизации малых напряжений (Uст ? 0,6 В).
Варикапы - полупроводниковые диоды, используемые в качестве конденсаторов, с управляемой по напряжению ёмкостью. Емкость p-n-перехода диода с увеличением обратного напряжения уменьшается за счет расширения области пространственного заряда p-n-перехода (рис. 7).
При UAK = 0 на Si-диоде ширина p-n-перехода равна l0 = 0,6 мкм, на Ge - 0,4 мкм. При увеличении обратного напряжения UAК увеличивается l0, а, следовательно, уменьшается С.
Рис. 7. Вольт-фарадные характеристики для различных варикапов
Максимальная емкость варикапа в зависимости от его типа составляет 5-300 пФ. Отношение минимальной и максимальной емкостей обычно равно 1:5.
Варикапы используются для построения колебательных контуров с управляемой напряжением резонансной частотой в области СВЧ (рис. 8).
Рис. 8. Колебательный контур на варикапе
Туннельные диоды отличаются от обычных диодов тем, что могут усиливать сигналы подобно транзисторам. Это объясняется наличием участка с отрицательным сопротивлением на их вольт-амперной характеристике (рис. 9).
Отличительной особенностью туннельного диода являются очень малые удельные сопротивления p- и n-слоев и, соответственно, очень малая ширина перехода - 0,01 ... 0,02 мкм. Концентрация примесей в слоях достигает 1019 см -3 и больше. В этом случае полупроводник вырождается, превращаясь в полуметалл. Уровни примесных атомов сливаются в зоны, а те в свою очередь сливаются с соответствующими основными зонами слоев. В результате уровни Ферми, как и в металле располагаются не в запрещенных зонах p- и n-слоев, а в разрешенных зонах: в валентной зоне p-слоя и в зоне проводимости n-слоя. При этом энергетическая диаграмма симметричного перехода в равновесном состоянии будет примерно такой, как показано на рис. 11а. Как видим, нижняя часть зоны проводимости в n-слое и верхняя часть валентной зоны в p-слое оказались разделенными весьма узким запорным слоем, что позволяет переходить носителям в смежный слой сквозь переход, т.е. не преодолевая потенциальный барьер. Это явление обусловлено туннельным эффектом, откуда и происходит название диодов.
Рис. 9. Статическая характеристика туннельного диода.
В равновесном состоянии потоки электронов из зоны проводимости n-слоя и валентной зоны p-слоя уравновешиваются и ток через переход отсутствует (рис. 10а).
Приложим к диоду внешнее напряжение обратной полярности (т.е. плюсом к n-слою). Энергетическая диаграмма для этого случая показана на рис. 10б). Т.к. количество электронов с энергией, превышающей уровень Ферми, невелико, то поток электронов из p-слоя в n-слой увеличится, а обратный ток останется почти неизменным. Следрвательно, результирующий ток будет протекать в направлении от n-слоя к p-слою. Этот ток быстро возрастает с увеличением обратного напряжения, поскольку плотность электронов в глубине валентной зоны огромна и малейшее приращение разности ?Fp - ?Fn сопровождается существенным изменением потока электронов из p-слоя в n-слой.
Теперь приложим к диоду небольшое прямое напряжение. Энергетическая диаграмма для этого случая показана на рис. 10в). Легко заметить, что поток электронов